一种小天体着陆初始对准方法、其相对导航基准确定方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种小天体着陆初始对准方法、其相对导航基准确定方法及装置，属于深空探测制导导航与控制领域。所述确定方法包括：获取小天体表面待着陆区域的三维高程图；根据所述三维高程图拟合所述待着陆区域所在的平面；根据拟合的平面，确定所述待着陆区域的法线n在成像敏感器坐标系{c}下的单位矢量nc；根据所述待着陆区域的法线n在成像敏感器坐标系{c}下的单位矢量nc确定小天体着陆相对导航基准{p}。本发明专利技术提高了相对导航基准的准确性和可靠性，避免了仅利用三个特征点来表征着陆区域的地形地貌导致的基准误差。

【技术实现步骤摘要】
一种小天体着陆初始对准方法、其相对导航基准确定方法及装置
本专利技术涉及一种小天体着陆初始对准方法、其相对导航基准确定方法及装置，属于深空探测制导导航与控制领域。
技术介绍
对于小天体(如小行星、彗星等)的近距离着陆探测，小天体表面的精细特征事先是未知且不确定的，其表面引力也非常微弱。因此，针对小天体的近距离下降着陆过程无法像大天体那样通过精确星历建立导航基准，然后沿重力方向下降并最终实现软着陆，而只能依靠探测器上的导航敏感器自主建立相对参考基准。对于小天体运距离接近过程，通常是利用探测器上的导航敏感器获取小行星的视线方向，并以此为参考接近小行星。而对于近距离下降和着陆过程，小天体往往已经充满导航敏感器视场，无法再获取小天体的视线方向，此时就需要建立小天体表面局部地形的相对导航基准，并且让探测器在下降过程中始终跟踪这一基准，从而达到相对位置和姿态精确控制的目的，确保着陆安全。目前，一种典型的策略是利用光学导航相机和激光测距仪对小天体表面着陆区域内预先选定的三个特征点进行平面二维成像和距离测量，通过求解三个位置矢量确定着陆参考坐标系，并通过卡尔曼滤波来估计探测器的在该坐标系下的位置、速度和姿态信息。该方法虽给出了近距离下降着陆过程的参考基准，但由于仅利用三个特征点来表征着陆区域的地形地貌，导致导航基准误差大、可靠性低。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种小天体着陆初始对准方法、其相对导航基准确定方法及装置，提高了相对导航基准的准确性和可靠性，避免了仅利用三个特征点来表征着陆区域的地形地貌导致的基准误差。为实现以上专利技术目的，本专利技术包括如下技术方案：一种小天体着陆相对导航基准的确定方法，包括：获取小天体表面待着陆区域的三维高程图；根据所述三维高程图拟合所述待着陆区域所在的平面；根据拟合的平面，确定所述待着陆区域的法线n在成像敏感器坐标系{c}下的单位矢量nc；根据所述待着陆区域的法线n在成像敏感器坐标系{c}下的单位矢量nc确定小天体着陆相对导航基准{p}。在一可选实施例中，所述根据所述三维高程图拟合所述待着陆区域所在的平面，包括：根据所述三维高程图确定各像素点对应的成像敏感器坐标系{c}下的位置矢量pm；根据所述各像素点的位置矢量pm，拟合出所述成像敏感器坐标系{c}下的所述待着陆区域所在的平面。在一可选实施例中，所述根据所述待着陆区域的法线n在成像敏感器坐标系{c}下的单位矢量nc确定小天体着陆相对导航基准{p}，包括：建立以所述小天体质心Oa为球心、以探测器星下点附近一特征点P到所述球心的距离为半径的假想天球，并基于所述假想天球定义天东北坐标系{r}；根据所述天东北坐标系{r}与所述成像敏感器坐标系{c}的关系，确定所述待着陆区域的法线n在天东北坐标系{r}下的单位矢量nr；根据所述待着陆区域的法线n在天东北坐标系{r}下的单位矢量nr，确定所述相对导航基准{p}的三轴；将所述特征点P确定为所述相对导航基准的原点。在一可选实施例中，所述根据所述待着陆区域的法线n在天东北坐标系{r}下的单位矢量nr，确定所述相对导航基准{p}的三轴，包括：根据所述待着陆区域的法线n在天东北坐标系{r}下的单位矢量nr确定所述法线n在天东北系{r}下的方位角βnr和仰角αnr；将所述天东北坐标系{r}先绕Zr轴旋转βnr，再绕Yr轴旋转-αnr，将旋转后的三轴作为所述相对导航基准{p}的三轴。一种小天体着陆相对导航基准的确定装置，包括：获取模块，用于获取小天体表面待着陆区域的三维高程图；拟合模块，用于根据所述三维高程图拟合所述待着陆区域所在的平面；法线矢量确定模块，用于根据拟合的平面，确定所述待着陆区域的法线n在成像敏感器坐标系{c}下的单位矢量nc；基准确定模块，用于根据所述待着陆区域的法线n在成像敏感器坐标系{c}下的单位矢量nc确定小天体着陆相对导航基准{p}。一种小天体着陆初始对准方法，包括：获取小天体表面待着陆区域的三维高程图；根据所述三维高程图拟合所述待着陆区域所在的平面；根据拟合的平面，确定所述待着陆区域的法线n在成像敏感器坐标系{c}下的单位矢量nc；根据所述待着陆区域的法线n在成像敏感器坐标系{c}下的单位矢量nc确定小天体着陆相对导航基准{p}；根据探测器本体坐标系{b}相对于确定的小天体着陆相对导航基准{p}的姿态偏差和探测器相对于导航基准{p}的位置偏差进行初始对准。在一可选实施例中，所述根据所述三维高程图拟合所述待着陆区域所在的平面，包括：根据所述三维高程图确定各像素点对应的成像敏感器坐标系{c}下的位置矢量pm；根据所述各像素点的位置矢量pm，拟合出所述成像敏感器坐标系{c}下的所述待着陆区域所在的平面。在一可选实施例中，所述根据所述待着陆区域的法线n在成像敏感器坐标系{c}下的单位矢量nc确定小天体着陆相对导航基准{p}，包括：建立以所述小天体质心Oa为球心、以探测器星下点附近一特征点P到所述球心的距离为半径的假想天球并基于所述假想天球定义天东北坐标系{r}；根据所述的天东北坐标系{r}与所述成像敏感器坐标系{c}的关系，确定所述待着陆区域的法线n在天东北坐标系{r}下的单位矢量nr；根据所述待着陆区域的法线n在天东北坐标系{r}下的单位矢量nr，确定所述相对导航基准{p}的三轴；将所述特征点P确定为所述相对导航基准的原点。在一可选实施例中，所述根据所述待着陆区域的法线n在天东北坐标系{r}下的单位矢量nr，确定所述相对导航基准{p}的三轴，包括：根据所述待着陆区域的法线n在天东北坐标系{r}下的单位矢量nr确定所述法线n在天东北系{r}下的方位角βnr和仰角αnr；将所述天东北坐标系{r}先绕Zr轴旋转βnr，再绕Yr轴旋转-αnr，将旋转后的三轴作为所述相对导航基准{p}的三轴。在一可选实施例中，所述根据探测器本体坐标系{b}相对于确定的小天体着陆相对导航基准{p}的姿态偏差和探测器相对于导航基准{p}的位置偏差进行初始对准，包括：根据探测器在相对导航基准{p}中的初始姿态q0和目标姿态qf进行初始姿态对准；根据所述探测器在探测器本体坐标系{b}及确定的小天体着陆相对导航基准{p}中的实际相对位置ρ、实际相对速度以及目标相对位置ρref、目标相对速度进行初始平移对准。在一可选实施例中，所述的根据探测器在相对导航基准{p}中的初始姿态q0和目标姿态qf进行初始姿态对准，包括：根据探测器的目标姿态qf及确定的初始姿态q0，确定姿态机动四元数q'；根据所述姿态机动四元数q'实现初始姿态对准。在一可选实施例中，所述的根据所述探测器在探测器本体坐标系{b}及确定的小天体着陆相对导航基准{p}中的实际相对位置ρ、实际相对速度以及目标相对位置ρref、目标相对速度进行初始平移对准，包括：根据所述实际相对位置ρ、实际相对速度以及目标相对位置ρref、目标相对速度确定位置偏差量和速度偏差量；根据所述位置偏差量和速度偏差量得到制导指令加速度根据所述制导指令加速度进行初始平移对准。一种小天体着陆初始对准装置，包括：获取模块，用于获取小天体表面待着陆区域的三维高程图；拟合模块，用于根据所述三维高程图拟合所述待着陆区域所在的平面；法线矢量确定模块，用于根据拟合的平面，确定所述待着陆区域本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种小天体着陆相对导航基准的确定方法，其特征在于，包括：获取小天体表面待着陆区域的三维高程图；根据所述三维高程图拟合所述待着陆区域所在的平面；根据拟合的平面，确定所述待着陆区域的法线n在成像敏感器坐标系{c}下的单位矢量nc；根据所述待着陆区域的法线n在成像敏感器坐标系{c}下的单位矢量nc确定小天体着陆相对导航基准{p}。

【技术特征摘要】
1.一种小天体着陆相对导航基准的确定方法，其特征在于，包括：获取小天体表面待着陆区域的三维高程图；根据所述三维高程图拟合所述待着陆区域所在的平面；根据拟合的平面，确定所述待着陆区域的法线n在成像敏感器坐标系{c}下的单位矢量nc；根据所述待着陆区域的法线n在成像敏感器坐标系{c}下的单位矢量nc确定小天体着陆相对导航基准{p}。2.根据权利要求1所述的小天体着陆相对导航基准的确定方法，其特征在于，所述根据所述三维高程图拟合所述待着陆区域所在的平面，包括：根据所述三维高程图确定各像素点对应的成像敏感器坐标系{c}下的位置矢量pm；根据所述各像素点的位置矢量pm，拟合出所述成像敏感器坐标系{c}下的所述待着陆区域所在的平面。3.根据权利要求1所述的小天体着陆相对导航基准的确定方法，其特征在于，所述根据所述待着陆区域的法线n在成像敏感器坐标系{c}下的单位矢量nc确定小天体着陆相对导航基准{p}，包括：建立以所述小天体质心Oa为球心、以探测器星下点附近一特征点P到所述球心的距离为半径的假想天球，并基于所述假想天球定义天东北坐标系{r}；根据所述天东北坐标系{r}与所述成像敏感器坐标系{c}的关系，确定所述待着陆区域的法线n在天东北坐标系{r}下的单位矢量nr；根据所述待着陆区域的法线n在天东北坐标系{r}下的单位矢量nr，确定所述相对导航基准{p}的三轴；将所述特征点P确定为所述相对导航基准的原点。4.根据权利要求3所述的小天体着陆相对导航基准的确定方法，其特征在于，所述根据所述待着陆区域的法线n在天东北坐标系{r}下的单位矢量nr，确定所述相对导航基准{p}的三轴，包括：根据所述待着陆区域的法线n在天东北坐标系{r}下的单位矢量nr确定所述法线n在天东北系{r}下的方位角βnr和仰角αnr；将所述天东北坐标系{r}先绕Zr轴旋转βnr，再绕Yr轴旋转-αnr，将旋转后的三轴作为所述相对导航基准{p}的三轴。5.一种小天体着陆相对导航基准的确定装置，其特征在于，包括：获取模块，用于获取小天体表面待着陆区域的三维高程图；拟合模块，用于根据所述三维高程图拟合所述待着陆区域所在的平面；法线矢量确定模块，用于根据拟合的平面，确定所述待着陆区域的法线n在成像敏感器坐标系{c}下的单位矢量nc；基准确定模块，用于根据所述待着陆区域的法线n在成像敏感器坐标系{c}下的单位矢量nc确定小天体着陆相对导航基准{p}。6.一种小天体着陆初始对准方法，其特征在于，包括：获取小天体表面待着陆区域的三维高程图；根据所述三维高程图拟合所述待着陆区域所在的平面；根据拟合的平面，确定所述待着陆区域的法线n在成像敏感器坐标系{c}下的单位矢量nc；根据所述待着陆区域的法线n在成像敏感器坐标系{c}下的单位矢量nc确定小天体着陆相对导航基准{p}；根据探测器本体坐标系{b}相对于确定的小天体着陆相对导航基准{p}的姿态偏差和探测器相对于导航基准{p}的位置偏差进行初始对准。7.根据权利要求6所述的一种小天体着陆初始对准方法，其特征在于，所述根据所述三维高程图拟合所述待着陆区域所在的平面，包括：根据所述三维高程图确定各像素点对应的成像敏感器坐标系{c}下的位置矢量pm；根据所述各像素点的位置矢量pm，拟合出所述成像敏感器坐...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鹏基，周亮，胡锦昌，胡少春，白旭辉，李骥，刘一武，魏春岭，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11